Ist es realistisch, Ihr Zuhause mit solarthermischer Energie zu versorgen? Heute werden wir die Aussicht auf die Verwendung von Solarsystemen als Hauptwärmequelle diskutieren und die Frage der wirtschaftlichen Rechtfertigung und Effizienz von Solarkollektoren betrachten.
Die Hauptkomponenten des Heizungssystems
Solarkollektoren dienen als Heizquelle des Sonnensystems, dessen Zweck die effizienteste Übertragung der Energie des Infrarotspektrums der Sonnenstrahlung auf das Kühlmittel ist. Der Wärmebereich des Sonnenlichts beträgt 40–45% des gesamten Strahlungsflusses, in bestimmten Zahlen 200–500 W / m2 je nach Breitengrad, Jahreszeit und Tag.
Im Prinzip reichen Kollektoren allein aus, um das einfachste Sonnensystem zu bauen. Über ihre Kanäle kann normales Wasser zirkuliert werden, das für den Haushaltsbedarf und die Heizung zu Hause verwendet wird. Dieser Ansatz ist jedoch aus einer Reihe von Gründen nicht effektiv genug. Der erste Grund ist die fehlende Wiederauffüllung der Energieverluste für einen ganzen Tag. Eines der wichtigsten Elemente einer Solaranlage ist daher ein Wärmespeicher – ein Behälter mit Wasser.
Hausheizung mit Solarkollektoren: 1 – Kaltwasserversorgung; 2 – Wärmetauscher; 3 – Wärmespeicher; 4 – Temperatursensor; 5 – Kühlmittelkreislauf; 6 – Pumpstation; 7 – Steuerung; 8 – Ausgleichsbehälter; 9 – heißes Wasser; 10 – Dreiwegeventil; 11 – Sonnenkollektor
Das technische Gerät des Solarkollektors ist ebenfalls eine Art Einschränkung. Seine Kanäle haben eine relativ kleine Strömungsfläche, wodurch die Gefahr besteht, dass sie durch mechanische Verunreinigungen verstopft werden. Es besteht auch eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass das Kühlmittel nachts gefriert, während die Obergrenze des Betriebstemperaturbereichs zwischen 200 und 300 ° C liegt. Die Kollektoren sind für eine schnelle kontinuierliche Zirkulation des Kühlmittels ausgelegt, das bei niedriger Temperatur eintritt, durch Sonnenlicht schnell erwärmt wird und ebenso schnell Wärme an die Batterie abgibt.
Vakuum U-förmige Solarkollektorrohre
Aus diesen Gründen ist es üblich, Propylenglykol mit einer Reihe spezieller Additive zur direkten Erwärmung in Wärmerohren zu verwenden. Das dritte obligatorische Element der Solaranlage ist also ein spezielles Kühlmittel und ein Austauschkreislauf, der häufig strukturell im Wärmespeicher enthalten ist oder Teil des Kollektors selbst sein kann.
Sorten und Unterschiede der Sammler
Ohne auf die technischen Details des Geräts einzugehen, liegt der Hauptunterschied zwischen Flach- und Vakuumkollektoren in der Zweckmäßigkeit ihrer Verwendung in verschiedenen Klimazonen. Flachkollektoren werden am besten in südlichen Breiten mit vorherrschenden Temperaturen über Null verwendet, Vakuumkollektoren näher an nördlichen.
Das Design eines flachen Solarkollektors: 1 – Kühlmittelauslass; 2 – Kollektorrahmen; 3 – strukturiertes hagelbeständiges Glas; 4 – Absorber; 5 – Kupferrohre; 6 – Wärmedämmung; 7 – Kühlmitteleinlass
Die Machbarkeit der Verwendung bestimmter Arten von Solarkollektoren beruht auf einer Reihe von Merkmalen:
- die Unfähigkeit von Vakuumsammlern, Schnee unabhängig zu räumen;
- hohe Wärmeverluste von flachen Solarkollektoren, die mit dem Temperaturunterschied wachsen;
- geringer Widerstand von Flachkollektoren gegen Windlasten;
- hohe Projektkosten für Vakuumsolarkollektoren;
- Niedertemperaturbereich effektive Nutzung von Flachkollektoren.
Die Konstruktion des Vakuumverteilers mit indirekter Wärmeübertragung: 1 – Einlass des gekühlten Wärmeträgers; 2 – Wärmetauscher (Kollektor); 3 – ein versiegelter Stecker; 4 – Vakuumröhre; 5 – Aluminiumplatte (Absorber); 6 – Heatpipe; 7 – Arbeitsflüssigkeit; 8 – beheizter Kühlmittelauslass; 9 – Kühlkörper; 10 – Wärmerohrkondensator; 11 – Isolierung
Einer der wichtigsten Unterschiede liegt im Installationsprozess. Flachkollektoren erfordern eine vormontierte Lieferung auf das Dach, während Vakuumkollektoren vor Ort montiert werden können. Außerdem haben Flachkollektoren normalerweise keinen eigenen Wärmespeicher und Austauschkreis..
Solarenergieprobleme
Solarheizsysteme sind nicht ohne Nachteile, von denen das wichtigste die Unbeständigkeit der Energiequelle ist. Nachts heizt sich das System nicht auf, und bei längerem bewölktem Wetter ist es ein unterdurchschnittliches Vergnügen, zu erwarten, dass ein klarer Himmel das Haus aufheizt. Wenn die Batterie mit einem ausreichend großen Volumen die erforderliche Wärmemenge mindestens bis zum Morgen speichern kann, sind mehrere Tage autonomen Betriebs bei unzureichender Beleuchtung nur mit einer signifikanten Erweiterung des Solarparks zu erwarten. Dies führt wiederum zu dem gegenteiligen Problem: Wenn ein solches Sonnensystem den Maximalleistungsmodus erreicht (z. B. an einem klaren Frühlingstag), muss es intensiver Wärme abgeführt oder mehrere Absorber mit ihrer Beschattung vorübergehend abgeschaltet werden.
Es ist wichtig zu verstehen, dass Sonnensysteme in der Realität des russischen Klimas nicht als einzige oder Hauptwärmequelle verwendet werden können. Sie können jedoch den Energieverbrauch während der Heizperiode erheblich senken. Besonders effektiv arbeiten Hybridkollektoren, bei denen Heizungen mit Fotozellen kombiniert werden. Wenn die Trübung den größten Teil der IR-Strahlung verzögert, ist der Verlust des photoelektrischen Teils des Spektrums nicht so signifikant.
Ein weiterer Nachteil von Solarkollektoren ist die Notwendigkeit einer erzwungenen Zirkulation des Kühlmittels im Kollektor-Akkumulator-System. Einige Vakuumkollektoren sind mit einem Tank für die natürliche Zirkulation ausgestattet und befinden sich über dem Absorber. Solche Anlagen werden üblicherweise in Warmwasserversorgungssystemen mit Wasseraufnahme unter dem Druck einer Kaltwasserversorgung eingesetzt. Es gibt jedoch noch Möglichkeiten, den gemeinsamen Betrieb solcher Solarkollektoren mit einem Heizsystem zu etablieren..
Vakuumsolarkollektor mit Tank
Integration in das Heizsystem
Es gibt zwei Möglichkeiten, Solarkollektoren mit einem beliebig komplexen Flüssigkeitsheizsystem zu kombinieren. Die Hauptenergiequelle kann entweder Gas oder Strom sein – es gibt keinen signifikanten Unterschied.
Die erste Möglichkeit besteht darin, die gesamte tägliche Batterie zu erwärmen. Der Speicher kommuniziert gemeinsam und nacheinander mit dem Kessel, wobei dieser bei unzureichend hoher Temperatur in Betrieb genommen wird und die Flüssigkeit erwärmt. Ein richtig ausgelegtes System dieser Art kann auch ohne Zwangsumlauf effektiv arbeiten..
1 – Heizkreis; 2 – Heizflüssigkeit; 3 – Temperatursensor; 4 – Pumpstation; 5 – Steuerung; 6 – Pumpe; 7 – Ausgleichsbehälter; 8 – sanitäres Wasser; 9 – kaltes Wasser; 10 – Warmwasserversorgung; 11 – Sonnenkollektor; 12 – Heizkessel
Die zweite Art der Kombination beinhaltet die Verwendung eines Wärmespeichers mit zwei Kreisläufen. Durch eine wird dem Kollektor Wärme entzogen, durch die zweite Erwärmung des Kühlmittels im System dient das Wasser aus dem Speicher als Quelle für die Warmwasserversorgung. Da die Stromkreise voneinander isoliert sind, können im Heizsystem und im Wärmeaustauschzyklus des Solarkollektors mehr wärmeabsorbierende Flüssigkeiten oder Frostschutzmittel verwendet werden. Der Hauptnachteil ist die Flüchtigkeit des Systems, da in beiden Kreisläufen die Zirkulation erzwungen wird.
1 – Kaltwasserversorgung; 2 – Temperatursensor; 3 – Solarkollektor-Wärmetauscher; 4 – Kesselwärmetauscher; 5 – Kollektorkühlmittelkreislauf; 6 – Pumpstation; 7 – Steuerung; 8 – Ausgleichsbehälter; 9 – Umwälzpumpe; 10 – Warmwasserauslass; 11 – Heizkessel; 12 – Sonnenkollektor
Leistungsberechnung und Installationsschritte
Der Übergang zur Sonnenenergie akzeptiert keine Eile und keinen oberflächlichen Ansatz. Oft können Schlussfolgerungen über die Zweckmäßigkeit der Installation einer Solaranlage erst nach mehrjährigen Beobachtungen und Berechnungen gezogen werden..
Leider macht es wenig Sinn, sich auf Sonnenkarten zu verlassen, da die lokalen Wetterbedingungen den Durchschnitt stark verzerren können. Daher muss zunächst unabhängig ein Bericht über die Intensität der Sonnenstrahlung an dem Ort erstellt werden, an dem die Kollektoren installiert sind. Pyranometer werden für Messungen verwendet. Innerhalb von 5.000 Rubel können Sie ein Budget-Gerät mit ausreichendem Funktionsumfang erwerben.
Pyranometer
Die Messungen sollten zu verschiedenen Tageszeiten mit einer Häufigkeit von etwa einer Woche während des ganzen Jahres durchgeführt werden. Bei den Messungen müssen der Neigungswinkel und die Ausrichtung der Kollektoren berücksichtigt werden. Die resultierenden Daten werden schließlich mit der Statistik des hydrometeorologischen Zentrums über den Prozentsatz der bewölkten Tage pro Jahr verifiziert..
Um einen hohen Wirkungsgrad der Solaranlage zu gewährleisten, sollte das negativste Szenario betrachtet werden, dh der längste Zeitraum mit der niedrigsten Beleuchtung sollte als Bezugspunkt herangezogen werden. Im Idealfall können Sie die Wahrscheinlichkeit noch schlechterer Wetterbedingungen mithilfe meteorologischer Statistiken der letzten 15 bis 20 Jahre anpassen. Die erhaltenen Daten zur einfallenden Sonnenenergie helfen dabei, die erforderliche Gesamtfläche des Absorptionsfeldes zu bestimmen und die Anzahl der Kollektoren zu bestimmen, die gekauft werden müssen..
Wie bereits erwähnt, werden Kollektoren sehr selten als Hauptheizquelle verwendet, sie spielen normalerweise eine zusätzliche Rolle. Der Anteil der Beteiligung kann jedoch berechnet werden. Er wird als Prozentsatz der Gesamtleistung des Stromnetzes des Hauses oder seines Wärmeverlusts angegeben. Nachdem die erforderliche Anzahl von Kilowatt erhalten wurde, wird sie mit dem optischen Wirkungsgrad der Absorber multipliziert, es werden mehrere Koeffizienten hinzugefügt – Korrekturen für Orientierung, Neigung, Temperaturbedingungen sowie einen Sicherheitsspielraum.
Entsprechend dem „Nettowert“ der erzeugten Leistung wird Folgendes ausgewählt:
- die erforderliche Anzahl von Kollektoren eines bestimmten Modells und durchschnittlich einen Backup-Solarkollektor pro 10-15 in Betrieb;
- Rohrleitungssystem mit dem vom Hersteller empfohlenen Durchsatz und der Wärmebeständigkeit;
- Zirkulationsgruppe, Absperrventile, andere Hilfseinrichtungen;
- Volumen und Lage des Lagertanks. In Systemen mit einer täglichen Speicher- oder Wärmeabgabekapazität von mehr als 20 kW ist es sinnvoll, isolierte Betontanks mit einem Volumen von 15 bis 20 m zu bauen3.
Für die Selbstinstallation und Wartung ist es erforderlich, ein Projekt des Systems zu erstellen, einen Platz für die Platzierung von Zusatzgeräten zuzuweisen und den Solarkollektor unter Berücksichtigung der Empfehlungen des Ausrüstungslieferanten bezüglich der Windlasten an der südlichen (für die nördliche Hemisphäre) Dachneigung zu befestigen. Vergessen Sie nicht, dass Sie durch den Kauf einer vollständigen Palette von Geräten bei einem Händler die Möglichkeit erhalten, kostenlos eine Liste gut kompatibler Geräte und Komponenten zu erstellen, wenn nicht ein Projekt einer Solaranlage.
Benötige ich eine Wärmepumpe?
Einer der Hauptnachteile von Solarheizsystemen sind die hohen Kosten. Während die Technologie zur Herstellung von Flachkollektoren gut beherrscht ist, bleiben Vakuumabsorber teuer und können unter bestimmten Wetterbedingungen nur erfolgreich betrieben werden. Es gibt aber noch eine andere Alternative – Luftkollektoren.
Luftsolarkollektor
Aufgrund des einfacheren Geräts sind ihre Kosten geringer und es besteht die Möglichkeit eines autonomen Betriebs. Der Wirkungsgrad der Luftkollektoren wird durch die Installation eines Gebläse erhöht, das von einem integrierten Solarpanel angetrieben wird. Durch die beschleunigte, aber proportional zur Erwärmung und Abkühlung der Kanäle werden Rückwärmeverluste durch den Kollektor minimiert. Eine Leistungsbegrenzung kann durch Steuern der Lüfterdrehzahl oder durch einfaches Blockieren des Durchflusses erreicht werden – die Luftkollektoren haben keine Angst vor einem Wärmeschock, außerdem ist es einfach, eine natürliche Umwälzung einzurichten.
Mangel an Luftsystemen bei geringer Erwärmung des Kühlmittels. Die Wärmekapazität der Luft ist geringer und der Absorber wird fast immer ohne Fokussierung erwärmt. Um sich in das Heizsystem integrieren zu können (was meistens notwendig ist, weil es unmöglich ist, einen Lüftungskanal in einen beheizten Raum zu verlegen), wird dringend eine Wärmepumpe oder ein Split-System benötigt.
Luftwärmepumpen können aber auch zur Steigerung der Effizienz von Klimaanlagen eingesetzt werden. Mit ihnen kann die Zirkulationsrate auf Werte erhöht werden, die in Haushaltslüftungssystemen nicht akzeptabel sind, was aufgrund des hohen Temperaturunterschieds zu einer 2-3-fachen Leistungssteigerung führt. Nachts hat der Kollektor auch im Betriebstemperaturbereich eine niedrige Produktionsrate.
Die als Wärmeträger verwendete Luft kann entfeuchtet oder durch Kohlendioxid oder ein anderes wärmespeicherndes Gas ersetzt werden. Es macht jedoch keinen Sinn, Wärmepumpen mit einem Wasserprimärkreislauf zu verwenden: Sie sind ursprünglich für den Betrieb mit einem hohen Temperaturunterschied ausgelegt, und daher reicht die Leistungssteigerung nicht aus, um die Kosten der Installation zu rechtfertigen.
Kosten für Solaranlage
Das Vergnügen, saubere Energie zu nutzen, hat zumindest für heute einen hohen Preis. Um fair zu sein, gibt es einige positive Neuigkeiten: In den letzten fünf Jahren sind die Kosten für die Herstellung von Flachkollektoren um das 2- bis 2,5-fache gesunken, was auch bei Geräten mit Vakuumabsorbern bald zu erwarten ist.
Die Kosten für Flach- und Vakuumkollektoren werden durch das Produktionsvolumen bestimmt – den Wert der Sonnenstrahlung bei idealen Lichtverhältnissen, dh die spezifische Leistung. Im Durchschnitt müssen Sie für 1 kW flache Solarkollektoren etwa 350 bis 500 US-Dollar und für eine vollständige Installation mit einer externen Batterie etwa 800 bis 1000 US-Dollar bezahlen. Die Kosten für Vakuumsolarkollektoren schwanken in einem höheren Bereich – von 600 bis 1000 bis 1200 US-Dollar pro Komplex, abhängig von der Qualität der Leistung, dem Rohrmaterial, der Wärmetauscherisolierung und anderen Merkmalen.
Für kapazitive Kollektoren gilt der Messstandard in Litern Wasser, das auf die höchstmögliche Temperatur erwärmt wird. Die Menge der erzeugten Elektrizität kann entweder durch die Gesamtfläche des Absorbers oder durch Ausdrücken durch die spezifische Wärmekapazität von Wasser berechnet werden. Abhängig von der Komplexität des Systems variieren die Kosten stark. Der Preis für eines der Beispiele aus dem mittleren Marktsegment erreicht 1.500 USD für 300 Liter (für 4-5 Einwohner) mit einem Temperaturunterschied von etwa 50 ° C, was einer spezifischen Leistung von 2,5 kW entspricht.
Kann mir jemand erklären, wie eine Solarheizung zu Hause mit Kollektoren funktioniert und wie hoch die Kosten dafür sind?